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Un cataclismo cósmico permite poner a prueba la estructura cuántica del espacio-tiempo

Los telescopios MAGIC en el Observatorio del Roque de los Muchachos, La Palma, Islas Canarias, España. Imagen: Giovanni Ceribella (MAGIC Collaboration).

Los telescopios MAGIC en el Observatorio del Roque de los Muchachos, La Palma, Islas Canarias, España. Imagen: Giovanni Ceribella (MAGIC Collaboration).

Representación artística de un GRB observado por los telescopios MAGIC. Imagen: Superbossa.com and Alice Donini.

Representación artística de un GRB observado por los telescopios MAGIC. Imagen: Superbossa.com and Alice Donini.

09/07/2020

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La teoría de la relatividad de Einstein postula que la velocidad de la luz en el vacío es una constante independiente de la energía de los fotones (partículas de luz). En un estudio publicado en la revista Physical Review Letters, un equipo internacional de investigadores —entre los que se encuentran expertos del Instituto de Ciencias del Cosmos de la UB (ICCUB)— ha tratado de poner a prueba este postulado. Para ello han utilizado observaciones de un estallido de rayos gamma (gamma-ray burst, o GRB) detectado en enero de 2019 por los dos telescopios MAGIC de La Palma.

La teoría de Einstein describe la gravedad como resultado de la interacción de la masa con el espacio-tiempo, y sus predicciones han sido verificadas en numerosos experimentos. Pese a ello, los físicos sospechan que una teoría más fundamental y de naturaleza cuántica, aún desconocida, podría explicar el fenómeno. Algunas de las teorías cuánticas de la gravedad que se han propuesto incluyen la posibilidad de que la velocidad a la que viajan los fotones en el vacío dependa de la energía de cada uno. Este fenómeno hipotético recibe el nombre de violación de la invariancia de Lorentz (LIV, por sus siglas en inglés). Se cree que, de existir, esa diferencia de velocidad sería demasiado pequeña para ser medida, a menos que su efecto se acumule durante largos periodos de tiempo o, equivalentemente, a lo largo de grandes distancias, como ocurre con la emisión que se produce en los GRB y se detecta en la Tierra.

Los fotones producidos por los GRB viajan durante miles de millones de años antes de llegar a la Tierra, lo que podría hacer medible el efecto de las hipotéticas diferencias en su velocidad. Además, las teorías de gravedad cuántica predicen que esa diferencia sería mayor cuanto mayor fuera la energía de los fotones. Por ello se espera que los telescopios de rayos gamma de muy alta energía, como los MAGIC, sean especialmente competitivos en la búsqueda de efectos de LIV.

Los GRB ocurren en momentos y lugares del cielo imprevisibles. Existen detectores de GRB a bordo de satélites en órbita alrededor de la Tierra. El 14 de enero de 2019, tras recibir una alerta del detector de GRB del satélite Swift, MAGIC culminó una búsqueda que ha durado más de quince años con la primera detección de un GRB en la banda de rayos gamma de muy alta energía (o banda TeV). El llamado GRB 190114C pudo detectarse gracias a que MAGIC comenzó su observación tan solo 50 segundos después de que se produjera el estallido. «Uno de los aspectos más positivos que ha revelado el estudio detallado del GRB 190114C es que se trata de un GRB más o menos corriente», explica Marc Ribó, investigador del ICCUB y coordinador adjunto de física de la colaboración MAGIC. «Esto son buenas noticias —continúa el investigador—, porque significa que probablemente detectaremos más similares. Nuestra detección inaugura una nueva fase en la búsqueda de efectos de LIV en observaciones de fuentes cósmicas de rayos gamma».

Los científicos quisieron utilizar esta observación única hasta la fecha para buscar efectos de gravedad cuántica. Con ese fin utilizaron modelos teóricos para describir la evolución temporal de la emisión en la banda TeV en el intervalo entre el comienzo del GRB y las observaciones con MAGIC. Los límites a la gravedad cuántica que se han obtenido en este trabajo son compatibles con los ya existentes hasta la fecha, y son los primeros que se obtienen mediante la observación de la emisión de mayor energía que se produce en un GRB. Con este estudio pionero, el equipo MAGIC ha establecido un punto de partida para futuras investigaciones que trabajen con la búsqueda de efectos medibles de la naturaleza cuántica del espacio-tiempo.

Referencia del artículo

Col·laboración MAGIC. «Bounds on Lorentz invariance violation from MAGIC observation of GRB 190114C». Physical Review Letters, 9 de julio de 2020. Doi: 10.1103/PhysRevLett.125.021301

 

Enlace a la nota de prensa

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